翻译-sbr中以碱度和氧化还原电位作为指示指标在硝化-反硝化过程的比较

排水工程毕业设计SBR中以碱度和氧化还原电位作为指示指标在硝化反硝化过程的比较院（系）市政环境工程学院专业给水排水工程学生学号指导教师BAIKUNLI，SHANNONIRVINBTHECOMPARISONOFALKALINITYANDORPASINDICATORSFORNITRIFICATIONANDDENITRIFICATIONINASEQUENCINGBATCHREACTOR（SBR）BIOCHEMICALENGINEERINGJOURNAL34（2007）248255摘要根据实时原理，选择一个容易测量并且相关性好的参数，在有效控制硝化反硝化过程是至关重要的。该项研究旨在调查碱度，在一系列操作条件（化学需氧量（COD），氨氮，水力停留时间），和烯丙基硫脲（浊度，化学抗氧化反硝化）冲击下，能否作为出水硝基根浓度的可靠指标。在SBR中，比较碱度和氧化还原电位（ORP）作为指示指标的精确性。尽管ORP与碱度在SBR周期中表现了明显的变化，在硝化反硝化效用不断减弱的时候，碱度与ORP相比更适合做指示指标。出水碱度与氮浓度呈反向线性相关（ALK426N180，R2092），当碱度低于100毫克/升，表示反硝化不充分；而碱度高于200250毫克/公升，表示硝化不充分。另外，碱度在进出水的差异（ALK）反应了一个整体效果碱度在硝化过程中消耗，在反硝化过程中生成，这是研究的另一个指标。ALKINFEFF在良好的硝化过程中减低，在良好的反硝化过程中增加。碱度和出水含氮浓度、ALKINFEFF与硝化反硝化效率的相关关系证明了碱度和ALKINFEFF在硝化反硝化过程中都可以用作指示指标。另外，用碱度、ORP和PH作为除氮指示剂的优缺点在本文中会有详细比较。关键字碱度；氧化还原点位（ORP）；硝化作用；反硝化作用；化学需要量（COD）；氧气；水力停留时间（HRT）；烯丙基硫脲（ATU）振荡；1介绍生物脱氮技术，包括好氧的硝化作用和厌氧的反硝化作用，被普遍认为是最经济和最有效的手段来去除废水中的氮。硝化作用包括两个步骤NH4首先被亚硝化菌氧化成NO2，然后再被硝化菌氧化成NO3（反应式和）。在厌氧反硝化过程中，NO2/NO3在有充足碳源作为电子供体条件下，被异养反硝化细菌还原为气态氮（N2）（反应式）。2NH43O22NO24H2H2O（I）2NO2O22NO3（II）5CH3COOH8NO34N210CO26H2O8OH（III）硝化反应在低COD、充足的DO和较长的污泥停留时间的时候可以很好的控制，然而反硝化需要厌氧条件和高COD值。这些不同的条件对于同步硝化反硝化的SBR系统中氮的除去是个难题。一些运行参数，像ORP、PH已经被研究用作硝化和反硝化作用的指示指标。然而却得出了矛盾的结果。ORP和PH折点（例如硝酸盐拐点，氨谷）显示的硝化反硝化作用的始末在一些实验中测到了，但没有其他的2材料和方法21SBR指标和人造废水本实验SBR系统体积17M3，工作过程分为进水、反应、沉淀，由系统自动控制。在正常运转中，一个周期（475H）包括042H曝气，283H厌氧混合，1H沉淀和05H闲置。溶解氧浓度的变化是通过曝气来调节的。在中等负荷运行下，曝气阶段溶解氧维持在3545MG/L。人造废水是为了获得中等负荷进水（COD浓度700MG/L，凯氏氮45MG/L的，氨氮35MG/L，CACO3（碱度200230MG/L）。每升废水成份奶粉053MG，重磷酸钾004G，尿素004G，硫酸铵005G，还有002G醋酸钠。进水通过投药泵泵入SBR系统填充区，在中等负荷运行条件下，水力停留时间为36天（流量为047立方米每天）。长水力停留时间是因为这个SBR系统主要为私人用而且废水通常在系统内停留2天才排出。整个实验中污泥停留时间为1014天。活性污泥接种自MIDDLE镇市政污水处理厂，系统悬浮固体混合物浓度在10001300MG/L。22实验组成在低、中、高负荷下调整进水COD浓度，曝气阶段溶解氧浓度，和水力停留时间（表1），一次只有一个参数变化，而其余两个参数保持中等负荷时的数值。因此，每个参数对除氮的影响可以在没有其他参数干扰的情况下被测量。23烯丙基硫脲振荡实验硝化反应中的碱度变化通过ATU振荡实验测量。在ATU投入SBR进料溶液，进行批测试来探测ATU的量。在批测试中，从SBR系统中取出活性污泥悬浮液，然后放入装有不同浓度ATU500毫升的试样瓶中。试样瓶在25摄氏度下振荡两小时。然后测量铵根和硝酸根浓度。硝化率42放入1MG/L的ATU，完全硝化时为10MG/L。ATU振荡实验在系统处于中等负荷下进行。24化学分析如表1示，当SBR系统适应每种运行条件15天之后，在1020天的固定运行期，SBR循环的废水样每两天收集一次。对于COD、MLSS、TKN和碱度的分析按照标准程序进行。用电渗析法测量（半透膜和电极）铵和硝酸盐，用HACH比色法测量亚硝酸盐，用装有氧气探针的YSI氧气尺测量溶解氧，用ORIONORP探针测量氧化还原电位。这项工作里，ORP，PH和碱度是在SBR周期中的每个阶段末测量的。25碱度在硝化和反硝化反应中的变化只要硝化和反硝化在同一个SBR池中进行，则出水中的碱度就大概是硝化所消耗的和反硝化所产生的之和。理论上说，进出水碱度差值应该是714357357MG/L理论上进出水碱度差是这么计算的ALKTHEORY357（NH4INFNO2EFFNO3EFFNH4EFF）（MG/L）（1）因为硝酸根和亚硝酸根通常在进水中检测不到，所以不在公式中。碱度差的实验性数据是这么计算的_ALKEXPERALKALINITYINFALKALINITYEFF（MG/L）（2）实验得到的碱度对比于理论上的影响到ALK指示除氮的精确性。3结论及讨论31不同运行条件下COD和氮的去除量进水COD浓度从88到1317MG/L，都可以发生完全硝化反应，图1所示，出水氨氮和总凯氏氮少于01MG/L32SBR系统在不同运行条件下ORP值的变化实时ORP测量显示和SBR系统进水COD成负相关33SBR系统在不同运行条件下碱度变化硝化（消耗碱度）和反硝化（产生碱度）在不同的COD浓度下会导致SBR系统碱度的变化（图2所示）。在需氧硝化阶段最大的碱度降低发生在最低进水COD浓度（88MG/L）时，此时出水碱度只有86MG/L，当COD浓度高于700MG/L时，系统处于缺氧反硝化阶段，碱度开始增长。当高COD浓度时（1317MG/L）出水碱度为185MG/L，由于反硝化阶段产生更多的碱度，在大多数实验中，碱度在沉淀阶段开始逐步增长（除了COD很低的情况），表明在缺氧段后仍有残留反硝化在进行。在低溶解氧和短水力停留时间下，不完全硝化与出水高碱度相关。在DO小于1MG/L时，碱度在好氧段仅降低50MG/L，此时出水碱度为250MG/L，在中高溶解氧下进行更完全的硝化反应，好氧段后碱度会从230254MG/L猛降到120140MG/L。在短停留时间下，不完全的硝化会降低更少的碱度，这也会导致出水高碱度（285MG/L）。而在中长停留时间下，出水碱度在152189MG/L。根据SBR周期的实验性数据，碱度在一系列COD，DO，HRT测试中很好表现了与硝化和反硝化的关联。出水ORP和碱度接着用来评估出水中的铵和硝酸根（图3）出水ORP值并没有清晰地显示和氮浓度的联系。在高脱氮率下（出水氨氮和硝态氮总量小于5MG/L），ORP值的范围从150MV（高COD）到250MV（中等DO），而在低脱氮率下（出水氨氮和硝态氮总量在1027MG/L），ORP值范围是180250MG/L。这些被假定与几个因素有关（作为还原剂的COD和作为氧化剂的溶解氧）显然ORP值造成了不明显的联系，除氮效果在COD很高和DO中高的条件下会好些。但是ORP却和COD无关尽管和DO相关。除氮效果在低COD和短停留时间下会变差。但是ORP值仍从200250MG/L，这是因为低COD浓度和低氧消耗。COD和DO的矛盾干扰ORP成为出水氮浓度的指示剂。相反，碱度清晰地显示了与出水氨氮和硝态氮的负相关（ALK426N180，R2092）。低COD下的不完全反硝化导致出水高硝态氮（23MG/L），而反硝化产生的碱度不能补充硝化所消耗的部分。这就导致了出水的低碱度（小于100MG/L），出水碱度在有稳定提供的碳源下稳步增长，并且大于160MG/L，而出水氮小于5MG/L。进出水碱度的不同也成为氮去除率的指示剂而被研究。因为硝化反应中碱度消耗速率714G/GN而在反硝化反应中产生速率为357G/GN，人们预期出水碱度会低于进水的。更大的碱度差很大程度上来自硝化反应（消耗碱度），较小程度来自反硝化反应（产生碱度）。出水的氮和碱度差值线性相关，（ALK699N22，R2082）而与COD负相关。在低COD（小于300MG/L）碱度差是140161MG/L，而且出水氮高于12MG/L。这么大的碱度降低是由反硝化不完全和废水碳源不足导致的。碱度差和COD成反比，当COD为1317MG/L时，碱度差为2MG/L，表明在高COD下反硝化进行完全，图4表明了碱度差应该小于50MG/L为了使反硝化反应完全（出水氮小于5MG/L）。34ATU振荡实验时硝化作用和碱度的变化硝化作用进行振荡实验时ATU用量低时为1MG/L，高时为10MG/L，当SBR系统在低ATU振荡时，大约有2030的硝化反应被掩蔽，出水氨氮增加到10MG/L，5070的硝化反应在高ATU用量时被掩蔽，此时出水氨氮增加到20MG/L第15天时，停止ATU振荡，SBR系统的出水也开始恢复，在第23天氨氮的浓度逐渐降低到02MG/L，这表明ATU使硝化细菌活性下降，却没有杀死细菌，所以硝化细菌活性在ATU振荡阶段后开始恢复。出水的碱度在整个ATU振荡测试时和硝化反应有相同的趋势，在ATU浓度为1MG/L时碱度从正常状态的190MG/L上升到230MG/L，当ATU浓度为10MG/L时进一步增加到292MG/L。而在停止ATU测试后七天的恢复期内，碱度持续下降并稳定在190MG/L的正常状态。综合考虑ATU振荡测试和运行条件可以看到出水氮指标合格（氨氮和硝态氮总量少于5MG/L）时碱度应在130190MG/L范围内，碱度低于100MG/L表明反硝化不充分，碱度高于200250MG/L表明硝化不充分。将ATU振荡测试得到进出水碱度差和理论值的对比。二者都能与出水氨氮有明显的负相关。当出水氨氮低于1MG/L碱度差会在100150MG/L之间，当出水氨氮增加712MG/L，碱度差降到到50110MG/L，此时ATU为低用量。表明被掩蔽的硝化反应消耗较少的碱度。高ATU用量时，当出水氨氮增加到1722MG/L，碱度进一步降到940MG/L。发现到实验得到的碱度差比理论值低1020MG/L，原因可能硝化和反硝化时在同一个池子里发生，可能降低进出水的碱度差值。着重注意的是尽管碱度差于出水氮浓度呈现很大的关联性，在ATU振荡测试中，在一系列运行参数测试时碱度差与氨氮的关联和碱度差与硝态氮关联是相反的，ATU振荡掩蔽硝化反应且导致低碱度消耗。然而，在绝大多数运行参数的测试中，硝化反应进行的很充分，由于低COD下不完全的反硝化，高碱度差表明了出水的高硝态氮。因此，从ATU振荡测试和运行参数测试中可得到如下结论为了获得充足的硝化反应，碱度差应该在120140MG/L，相应德，碱度差在1060MG/L可获得充足的反硝化反应。35碱度监测除氮过程的应用在SBR中碱度变化的实验充分体现了碱度作为硝化反硝化工程指示剂的准确性。我们在SBR中也比较了碱度和PH，发现PH值在硝化过程（好氧阶段）中降低，在反硝化过程（厌氧阶段）升高。尽管在不完全的硝化下，出流PH值比7大（出流NH410MG/L）,在完全硝化下比65小（出流NH45MG/L）,它随出流含氮浓度的变化没有碱度明显，并且有些情况，当出流含氮浓度变化10MG/L以上时，PH值仍然不变。这是因为PH是氢离子浓度的对数，当氢离子变化时，可能PH随之变化不明显。另一方面，碱度是基于CACO3，可以反应氢离子浓度。当水的PH值在68时，碱度变化在2030MGCACO3/L,是氢离子浓度变化的152倍。实验也体现了ORP值在好氧阶段增加，在厌氧阶段减少，但是它与出流含氮浓度的关联性不是很好。碱度和硝化反硝化的每一步的关系，是它成为指示剂的优势。在硝化阶段，每克NH4氧化成NO2会消耗714GCACO3碱度。在NO2氧化成NO3时，没有碱度的消耗；在反硝化阶段，每克NO3/NO2还原成N2会生成357GCACO3碱度。因此，除氮效果的好坏，硝化反硝化的长短可以通过进出水碱度检测出来。和ORP、PH相比，碱度值不仅可以监测系统的运行状况，还能只是硝化反硝化是否完成。不像OPR和PH，碱度在实际操作中容易获取。然而，碱度的实时测量现在是有困难的。废水样品中，测量碱度时取样再测量需要几分钟，不够及时。OPR和PH可以在处理过程中做到实时测量。然而，由于ORP转折点识别困难，PH对含氮浓度不够敏感，工程实践中，他们的应用达不到期望值。在这次研究中，碱度和硝化反硝化的良好关联，可以让我们以后在碱度的实时测量手段上加以研究。在现阶段，数月的测量需要再次检验碱度和硝化反硝化的关系。然后，将要建立废水碱度值和氮的去除效率的关系。如果采用ORP、DO、PH这些实时参数，在加上碱度这个延时参数，在废水处理的监测中，是非常好的选择。4结论关于SBR系统的碱度和氧化还原电位的研究可以得出以下结论1SBR系统循环中在不同的运行条件（化学需氧量，溶解氧和水力停留时间）下，碱度和氧化还原电位呈现明显的变化，但是于O